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1、计算机组成原理 结合EDA的计算机组成原理实践教学探究 (内蒙古财经学院 计算机信息管理学院，内蒙古 呼和浩特 010170)摘 要：文章针对传统计算机组成原理实践教学的弊端， 提出了结合EDA进行计算机组成原理实践教学，加强学生的理解、设计和创新实力措施。关键词：计算机组成原理；实践教学；EDA；VHDL中图分类号：TP332 文献标识码：A 文章编号：10176921(2022)22010302计算机组成原理课程的要求，是应用型本科计算机专业的专业基础课。本课程起着承上 启下的重要作用，通过本课程的学习，使学生驾驭计算机单机系统硬件各部分的基本组成原 理和工作机制以及相关的基本理论，建立起
2、计算机系统的整机概念，为提高学生在硬件方面 的专业素养和以学习实力为代表的发展潜力，为其后续专业课程的学习和将来的科研工作奠 定坚实的基础。为了进行计算机组成原理实践教学，让学生更好的驾驭计算机各部分的基本组成原理，内蒙 古财经学院 引进了清华科教仪器厂生产的计算机组成原理试验系统TEC-2000 30台。学生通过该试验系 统可以进行运算器、存储器、限制器等各个部件的设计性试验，对学生所学的理论学问进行 很好的实践。1 运算器和限制器的试验内容运算器组成试验目标是要求学生加深理解运算器的基本组成、工作原理，熟识简洁运算器的 数据传送通路；深化了解AM2901运算器的功能与详细用法；驾驭移位电路
3、的工作原理和运用 方法；驾驭运算器中通用寄存器的工作原理和运用方法；驾驭运算器中运算结果推断电路的 工作原理和实现方法。试验内容主要是验证运算器的16位加、减、与、或、移位、进位、直 通功能。按给定的数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。其中大部分属于简洁的验证式实 验。还可以让学生自行探究试验步骤和任务。比如，学生验证完运算器的加运算之后，再让 学生自行探究减法的试验步骤并完成相应任务。限制器试验目标是要求学生加深理解计算机限制器中时序限制部件、指令部件、地址部件、 操作限制部件的基本组成和工作原理；驾驭微程序限制器的基本组成、微指令格式、设计方 法、写入过程、执行过程；驾驭硬布线限制器的组成
4、原理和设计方法。试验内容主要是微程 序限制器中微指令编制、写入、执行过程，通过视察指示灯的状态来理解指令的执行流程； 硬布线限制器的指令执行过程属于有肯定难度的验证式试验，通过教学机中已经设计好并正 常运行的几条典型指令的功能、格式和执行流程，然后自己设计几条指令的功能、格式和执 行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。让学生依据设备本身的系统结构设计微程序、 写入并运行。当前，这些器件和整机的设计与实现基本上是在试验室特定的硬件平台上进行的，由于试验 经费有限、硬件平台数量的限制，学生参加的试验多半是验证性的试验，导致学生对试验丧 失爱好，抄写试验报告的现象特别严峻。因此，在进行课程实践过程
5、中，传统的试验模式不 能对学生因材施教，束缚了对学生创新实力的培育。通过对国内外相关状况的调查、分析、探讨，我们考虑可以利用困难可编程逻辑设计器件(C PLD)设计软件作为电子设计自动化(EDA)试验平台，模拟真实的硬件平台，从而达到虚拟化 计算机系统硬件试验的目的。Altera公司的MAX+PlusII及QuartusII平台是完全集成化、易 学易用的可编程逻辑设计环境，主要用于设计新器件和中大规模CPLD/FPGA。它具有硬件描 述语言、电路原理图、时序图等多种输入方式，利用其所供应的标准门电路、芯片等逻辑器 件，完成数字电路从设计输入编辑、编译网表提取、数据库建立、逻辑综合、逻辑分割、适
6、 配、延时网表提取、编程文件汇编及下载的全过程。MAX+PlusII及QuartusII平台可以保证 所设计系统的牢靠性、高效性和敏捷性，其强大的图形界面和完整的帮助文档，使学生能够 轻松快速地驾驭和运用该EDA平台，进行逻辑电路及相关系统的设计。在教学中一边介绍EDA的学问，一边通过实践驾驭基本组合电路和常用时序逻辑电路的设计 方法，比如门电路、编译器和译码器、多路选择器、比较器、加法器、触发器、锁存器、寄 存器和一位寄存器、计数器、分频器。通过先复习基本概念、逻辑表达式、逻辑电路图和真 值表，再给出该电路的功能描述的VHDL源代码的方法，这些在数字系统中应用非常广泛的基 本电路，通过试验不
7、断地去探讨它们的内在逻辑，驾驭用VHDL描述硬件电路的思路和方法。 从基本电路的实现到运算器、存储器甚至限制器等计算机功能模块的设计，最终完成基本模 型机的设计要求。2 浮点运算器设计与实现 运算器作为计算机的加工处理部件，是中心处理器（CPU）的重要组成部分。典型的PC机一 般都至少具有1个定点运算器。 定点运算器主要是实现对定点整数和定点小数的算术运算、 对逻辑数据的逻辑运算以及对主存的地址计算等。浮点数比定点数的取值范围宽，有效精度 高，更适合于科学计算与工程计算。浮点运算可分为两类：非规格化和规格化浮点运算。非 规格化浮点运算，不要求操作数是规格化数，对运算结果也不要求规格化处理。而规
8、格化浮 点运算只能对规格化的浮点数进行操作，并且要求对运算结果加以规格化处理。由于规格化 浮点数具有唯一的表示形式，而且在计算机中尾数能获得最大的有效数字，所以在一般的计 算机中选用规格化浮点运算。 在浮点运算中，阶码和尾数是分别进行运算的，并且都是定点数（阶码为定点整数，尾数为 定点小数）。因此，可以说，浮点运算器是定点运算器的扩充和强化。一般浮点运算器都至 少具有2个定点数逻辑运算单元，一个用于阶码的比较和运算，另一个用于尾数的运算。阶 码运算器用来求阶差，修改阶码等操作，一般只进行加减运算。而尾数部件不但有加法器用 以求和，还应有左移和右移线路，以实现对尾数的操作。所设计的浮点运算器的组
9、成框图如下图所示。740)this.width=740 border=undefined浮点运算器我们采纳原理图方式来设计实现。首先依据试验系统资源，定义试验系统上开关 、按钮以及发光二极管的作用。该试验系统上共有22个开关按钮，其中S0、S1、S2、S3、M0 、M1共6个用于外扩展板，定义余下16个开关用于浮点运算器输入功能选择（即加、减、乘 或除）以及阶码部分和尾数部分的输入，利用试验系统上16个发光二极管显示结果，包括结 果的阶码部分、溢出报警部分和尾数部分。定义试验系统上的部分按钮作为复位，输入启动 等功能。然后在MAX+PlusII原理图编辑环境中设计出如图1所示浮点运算器的详细原
10、理电路 ，规定器件的输入/输出。经过仿真和测试，确认相应的逻辑正确无误后，生成下载文件，经下载板下载到试验系 统上，即可利用试验系统上的开关和发光二极管进行浮点运算器的输入和结果的观测。EDA技术实际应用正越来越受到人们的重视。基于EDA技术的计算机组成原理试验系统可依据 不同试验要求，规划不同试验限制逻辑，通过将试验逻辑下载到FPGA芯片中完成自己的试验 功能，具有极强的敏捷性。3 结束语我们整体的设想和追求的目标是：以全面提高教学质量为宗旨，以创新设计模式为指导，将 硬件描述语言、先进的EDA开发工具和技术引入计算机硬件类课程的教学和实践过程中，逐 步更新传统硬件试验教学中的陈旧内容、模式
11、及其试验平台，创建一个从验证转向设计，从 单一走向综合，从封闭走向开放的全新的试验教学环境。参考文献1 王成.计算机组成原理M.北京：清华高校出版社，2002.2 柴志雷“计算机组成与体系结构”教学初探J 考试周刊，2022，(27) .3 李山山，汤志忠，周继群. 基于FPGA的开放式教学CPU的设计与测试系统J . 计算机工程与应用，2022，(14).4 叶雪军，唐建宇，熊威基于EDA的计算机硬件课程实践教学的探讨J. 计 算机教化，2022，(7).5 钟荣柏应用型本科计算机专业课程体系的探讨J科教文汇，2022，(4) .6 周宁宁，刘胜基于FPGA技术的CPU模型机的设计与实现J.南京邮电学院 学报，2003，23(1). 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页